第五章工艺计算

第五章工艺计算食品工厂设计——食品与轻工学院授课教师：冯小海物料衡算包括该产品的原辅料和包装材料的计算。通过物料衡算，可以确定各种主要物料的采购运输和仓库储存量，并对生产过程中所需的设备和劳动力定员的需要量提供计算依据。计算物料时，必须使原、辅料的质量与经过加工处理后所得成品和损耗量相平衡。加工过程中投入的辅助料按正值计算，加工过程中的物料损失，以负值计入。这样，可以计算出原料和辅料的消耗定额，绘制出原、辅料耗用表和物料平衡图。并为下一步设备计算、热量计算、管路设计等提供依据和条件。还为劳动定员、生产班次、成本核算提供计算依据。因此，物料衡算在工艺设计中是一项既细致又重要的工作。第一节物料衡算一、物料衡算的概念与意义意义：(1)确定生产设备的容量、个数和主要尺寸。(2)工艺流程草图的设计。(3)水、蒸汽、热量、冷量等平衡计算。(4)车间布置、运输量、仓库储存量、劳动定员、生产班次、成本核算、管线设计。概念：物料衡算是指：根据质量守恒定律，凡引入某一系统或设备的物料重量Gm，必等于所得到的产物重量Gp和物料损失量Gt之和，即：Gm=GP+Gt物料衡算的基本资料是“技术经济定额指标”，而技术经济定额指标是工厂在生产实践中积累起来的经验数据，这些数据因具体条件而异，如地区差别、机械化程度、原料品种、成熟度、新鲜度及操作条件等不同，选用时要根据具体条件而定，一般老厂改造按该厂原有的技术经济定额为计算依据，新建厂则参考相同类型、相近条件工厂的有关技术经济定额指标，再以新建厂的实际情况作修正。在物料衡算时，计算对象可以是全厂、全车间、某一生产线、某一产品，在一年或一月或一日或一个班次，也可以是单位批次的物料数量。一般新建食品工厂的工艺设计都是以“班”产量为基准。例如：二、物料计算方法每班耗用原料量(kg/班)=单位产品耗用原料量(kg/t)×班产量(t/班)；每班耗用各种辅料量(kg/斑)=单位产品耗用各种辅料量(kg/t)×班产量(t/班)；每班耗用包装容器量(只/班)=单位产品耗用包装容器量(只/t)×班产量(t/班)×(1十0.1％损耗)。单位产品耗用的各种包装材料、包装容器也可仿照上述方法计算。若一种原料生产两种以上产品，则需分别求出各产品的用量，再汇总求得。另外，在物料计算的时候，也有用原料利用率作为计算基础。物料计算结果通常用物料平衡图或物料平衡表来表示。1.物料平衡图物料平衡图是根据任何一种物料的重量与经过加工处理后所得的成品及少量损耗之和在数值上是相等的原理来绘制的，平衡图的内容包括：物料名称、质量、成品质量、物料的流向、投料顺序等项。绘制物料平衡图时，实线箭头表示物料主流向，必要时用细实线表示物料支流向。三、计算结果的表示物料平衡图单位名称工程名称设计项目设计阶段初步设计设计制图校核审核年比例糖化酶213.3t/aa-淀粉酶114t/a薯干粉28490t/a硫酸51.9t/a硫酸铵120t/a糖化酶30t/a粉碎车间蒸煮工段糖化工段酒母工段发酵工段蒸馏工段粉浆114000t/a蒸煮醪115800t/a酒母醪11991t/a蒸馏发酵醪t/a成品酒精10200t/a次品酒精208t/a酒糟13200t/a二氧化碳9388t/a杂醇油52t/a至仓库至仓库至仓库至糟池至CO2车间年产1万吨食用酒精厂物料平衡图物料平衡表是物料平衡计算的另一种表示形式，其内容与平衡图相同物料平衡表名称计算单位主、辅原料产品食品损失1损失2损失3批次质量百分比班次质量百分比2.物料平衡表原料消耗综合表序号原料名称单位纯度100%每吨产品消耗定额(t)每天或每小时消耗量(t)年消耗量(t)备注工业品100%工业品100%工业品100%排出物料综合表序号名称特性成分单位每吨产品排出量t每小时排出量t每年排出量t备注四、主要技术经济指标内容1．生产规模(t/a)2．生产方法3．生产天数(d/a)4．产品日产量(t/d)5．产品年产量(t/a)6．副产品年产量(t/a)7．产品质量8．总回收率(％)四、主要技术经济指标内容9．原材料单耗(1)主原料(t/t产品)(2)辅料(t/t产品)(3)水(t/t产品)(4)电(kwh/t产品)(5)蒸汽(t/t产品)(6)冷量(kJ/t产品)10．总投资(万元)(1)设备价值(2)材料费(3)运杂费(4)建筑工程费(5)工资(6)其他四、主要技术经济指标内容11．劳动生产率(1)生产人员(2)商品产值(万元)(3)全员劳动生产率（万元/(人·a))(4)工人实物劳动生产率(t/(a·人))12．单位成本(元/t)13．利润(1)单位产品利润(元/t)(2)总利润(万元/a)14、投资回收年限(a)15、全厂设备总重量(t)16．全厂主要管件、管材总重(t)17．钢铁、水泥、木材单耗第二节热量平衡计算一、热量衡算的意义、方法和步骤（一）热量衡算的意义（1）计算生产过程能耗定额指标。可对工艺设计的多种方案进行比较，以选定先进的生产工艺；或对已投产的生产系统的生产过程的经济合理性、过程的先进性进行分析，并找出存在的问题，提出改造或革新的措施。（2）热量衡算的数据是设备选型、确定台数的依据。（3）热量衡算是组织和管理、生产、经济核算和最优化的基础。（二）热量衡算的方法和步骤热量衡算也可作全过程的单元设备的热量衡算。以单元设备的衡算为例具体的方法和步骤如下：1.画出单元设备的物料流向及变化的示意图。2.分析物料流向及变化，写出热量衡算式：-输入的热量总和（KJ）-输出的热量总和（kJ）-损失的热量总和（kJ）∑∑Q入=∑Q出+∑Q损∑Q入=Q1+Q2+Q3式中：Q1—物料带入的热量（kJ）Q2—由加热剂（或冷却剂）传给设备和所处理的物料的热量（kJ）Q3—过程的热效应，包括生物反应热、搅拌热等（kJ）∑Q损=Q4+Q5+Q6+Q7式中：Q4—物料带出的热量（kJ）Q5—加热设备需要的热量（kJ）Q6—加热物料需要的热量（kJ）Q7—气体或蒸汽带出的热量（kJ）3.收集数据物料量、工艺条件以及必需的物性数据等。数据可以从专门手册查阅，或取自工厂实际生产数据，或根据试验研究结果选定。4.确定合适的计算基准在热量衡算中必须选准一个设计温度，且每一物料的进出口基准态必须一致。通常，取0℃为基准温度可简化计算。5.进行具体的热量计算（1）5.进行具体的热量计算（1）物量带入的热量Q1和带出热量Q4计算：式中：G—物料质量（kg）c—物料比热容[kJ/(kg.K)]t—物料进入或离开设备的温度（℃）Q=∑Gct（2）过程热效应Q3主要有反应热QB、搅拌热Qs和状态热Qλ（例如汽化热、溶解热、结晶热等）：Q3=QB+QS+Qλ式中：QB—反应热（kJ）QS=3600Pη(kJ)其中P为搅拌功率（kW），η为搅拌过程功热转化率，通常η=92%。Qλ=Gλ，G为状态改变的质量，λ为潜热。（3）加热设备耗热量Q5为了简化计算，忽略设备不同部分的温度差异，则：Q5=Gc（t2-t1）式中：G—设备总质量（kg）c—设备材料比热容比热容[kJ/(kg.K)]t2、t1—设备加热前后的平均温度（℃）（4）气体或蒸汽带出的热量Q7式中：G—离开设备的气态物料（如空气、CO2等）质量（kg）c—物料温度由0℃升温至蒸发温度的平均比热容[kJ/(kg.K)]t—气态物料温度（℃）r—蒸发潜热（kJ/kg)Q7=∑G(ct+r)（5）设备向环境散热Q8为了简化计算，假定设备壁面的温度是相同的，则式中：F—设备总表面积（m2）αT—壁面对空气的联合给热系数[W/(m2℃)tw—壁面温度（℃）ta—环境空气温度（℃）τ—操作过程时间（s）αT的计算：①空气作自然对流，αT=8+0.05tw②强制对流时，αT=5.3+3.6W（空气流速W=5m/s或αT=6.7W0.78（W＞5m/s)（6）加热物料需要的热量Q6式中：G—物料质量（kg）c—物料比热容[kJ/(kg.K)]t1、t2—物料加热前后的温度（℃）Q6=Gc(t2-t1)（7）加热（或冷却）介质传入（或带出）的热量Q2Q2称为有效热负荷。若计算出Q2为正值，则过程需要热；若Q2为负值，则过程需从操作系统移出热量，即需冷却。根据Q2来确定加热（或冷却）介质及其用量。热量衡算值得注意的几个问题（1）确定热量衡算系统所涉及所有热量或可能转化为热量的其他能量，不要遗漏。但对衡算影响很小的项目可以忽略不计，以简化计算。（2）确定物料计算的基准、热量计算的基准温度和其他热量基准。有相变时，必须确定相态基准，不要忽略相变热。（3）正确选择与计算热力学数据。（4）在有相关条件约束，物料量和能量参数（如温度）有直接影响时，宜将物料平衡和热量平衡计算联合进行，才能获得准确结果。第三节水平衡计算水平衡是在完成主要物料衡算的基础上与热量衡算同时展开的。水衡算的方法与步骤和物料衡算类似，注意的问题：（1）食品生产工艺中，需用水的过程一般包括原料处理、培养基配制、半成品的洗涤、冷却过程、设备和管道的清洗等。（2）生产工艺、设备或规模不同，生产过程用水量也随之改变，有时差异还很大。即便是同一规模、工艺也相同的厂，单位成品耗水量往往也不相同。所以在工艺流程设计时，必须妥善安排，合理用水，尽量做到一水多用和循环使用。第四节耗冷量的计算Q=Qt+Qnt其中：Qt—工艺耗冷量，Qt=Q1+Q2+Q3Q1—物料和反应罐体冷却至操作温度的耗冷量Q2—反应热Q3—工艺用水的冷却耗冷量Qnt—非工艺耗冷量照明及用电设备耗冷及其他操作耗冷量围护结构耗冷量管道冷量散失第五节无菌压缩空气消耗量计算压缩空气消耗量，通常用单位时间耗用的常压空气体积表示，即m3/h(105Pa)1.通气发酵罐通风量计算Q—通气量（m3/h)qo2—微生物比呼吸速率[molO2/(kgh)]x—发酵罐装液量（m3）cin—通入发酵罐的空气氧浓度（molo2/m3)cout—离开发酵罐的空气氧浓度（molo2/m3)(1)氧气传质系数（KLa）等值放大准则计算Q对高耗氧的生物反应，如酵母培养生产，通常可使用等KLa放大准则。放大罐通气量Q2与试验罐的Q1的关系为：式中V1—试验罐的装液量（m3）V2—放大罐的装液量（m3）H1—试验罐的装液高度（m）H2—放大罐的装液高度（m）(2)单位体积液体中搅拌功率P0/VL相等的准则进行放大这是通风发酵罐放大设计最常用的方法。对谷氨酸、柠檬酸及抗生素等发酵，尽管规模不同，但维持P0/VL不变，则生产结果相近。应用P0/VL相等准则放大设计时，理论上通气量的计算可按照空截面气速Vs维持恒定的原则，即放大罐的通气量为：式中D2—放大罐的直径（m）Vs1—试验罐空截面气速（m/s）2.通风搅拌用的压缩空气的压强计算式中：P—通风搅拌用的压缩空气的压强（Pa）H—被搅拌液体的液柱高度（m）ρL—被搅拌液体的密度（kg/m3)ρα—通入空气的密度（kg/m3）W—管道中空气流速（m/s）g—重力加速度（9.81m/s2）∑ξ—空气分布器等阻力P0—液面上的压强（Pa）3.压送液体物料时无菌空气耗量（1）所需压缩空气压强P（Pa）可按下式计算：式中：H—压送静压高度（m）ρ—被输送液体密度（kg/m3)（2）压缩空气消耗量分下述两种情况计算：[1]设备中液体在一次操作中全部被压完V=10-5V0P（m3）V1=10-5V0P/τ(m3/h）式中：V0—设备容积（m3）P—所需压缩空气的压强（Pa）[2]设备中液体部分压出对一次操作，折算成压强为105Pa的压缩空气消耗量为：若每次压送时间为f（h），则每小时无菌空气耗量为：式中：V0—设备容积（m3）φ—设备装料系数VL—一次压送出的液体体积（m3）第六节抽真空量计算（1）真空冷却器的抽真空量计算被处理料液在真空冷却器内产生的二次蒸汽量为：W=Gc(t1-t2)/(I-ct2)(kg/h)式中：G—进入冷却器的料液流量（kg/h）c—料液比热容[kg/(kgK)]t1—进入的料液温度（℃）t2—离开的冷却的料液温度（℃）I—二次蒸汽焓（kg/kg)相对真空度是指被测对象的压力与测量地